XI’AN JIAOTONG
UNIVERSITY
《工程训练》之一
工业系统的测量
陈永森
工程训练中心
2004年12月
讲义V 1.2
引言
温度测量系统
信号预处理
温度
温度传感器
电信号
符合要求的信号
如何测量你的体温？
包括：获取温度信号以及处理温度信号
本讲我们将了解测量系统的组成原理。包括信号的获取以及信号的预处理。另外，着重讲解在信号处理中用得最多的器件：运算放大器。
本讲内容（3课时） 传感器
信号调理电路
典型测量系统的组成
运算放大器
训练内容1：反相放大器测试 训练内容2：同相放大器测试 训练内容3：电压跟随器测试 选做：积分器及比较器
IC间距与DIP封装
§4.1 传感器
传感器：能感受某种信息（被测量）并按一定规律将信息转换成可用信号的器件或装置。
可用信号：某一定场合中便于传输和处理且可以使用的信号（常是电量）
传感器的本质：将被测量从一种能量形式转换成另一种能量形式，并作为可用信号输出 狭义的传感器：被测量→电信号
传感器：工业系统的感官（位置、转速、温度、液位、压力）
对传感器的要求：线性度好、无滞环误差、特性稳定、测量范围宽、响应迅速
被测量传感器
可用信号
物理量化学量生物学量
§4.2 信号调理电路
问题：
传感器的输出信号往往很微弱，或波形不适当，或
信号形式不适合，不能直接用于工业系统的状态显
示和控制
解决：电压放大、整形、电流－电压转换、频率－电压转换等
信号调理电路：对传感器的输出信号施行一定预处理的装置，使信号适于显示或控制。
主要技术：电子技术——运算放大器
测量同一被测量：不同的测量方法→不同的传感器及信号调理电路
同一传感器：不同的工业系统
直流电源
测量系统
信号调理电路
现场物理量
传感器
可用信号
显示装置
信号发生器
示波器
控制装置
常用仪器在测量系统中的使用
信号发生器：产生标准信号（不同f、A、波形的信号）
→调试和维修时，模拟传感器的输出信号
示波器：测量并显示电路中不同点的信号
直流电源：为系统各部分供电
万用表：最方便的检测仪器。
电压、电流、电阻、电容、电感、温度……
运放的符号常见的运放
- OP07+
8
1
2
3
45
67
+V -V
GND 或－V
324
+V
-+
-+
+-
+-14
13
12
1110
9
8
1234567
管脚起始朝左
管脚序号逆时针方向增长！！
OP07
LM324
E -
V o
V +-+
E +
V -V o
V +-+
V -
“放大”的含义及工作特性曲线
V i
V o
E +-0.3
E -+0.7正向饱和
反向截止
线性放大区
E -
V o
V i -+
E +
V -V +
o ()
i V AV A V V +-==-“放大”的含义
运放的工作特性曲线
V o ∈[E -+0.7,E +-0.3]
饱和压降约0.3V ，截止导通电压约0.7V
理想运算放大器
r i
＋ －
AV i r o
V i
2 －
1 ＋
2 －
1 ＋
V -
V i =0V -V +
V +
V o
V o
反相输入端
同相输入端
33
输出端
I i =0
A 很大，1000以上
r i 很大，兆欧以上r o 很小，可以忽略
V o 有限，电源电压范围内
A →∞r i →∞r o →0V o ∈(E -,E +)V 1=V 2I i =0
虚通虚短
虚断o (,)
000
i i i o i i i V V E E V A V I r A V r -+∈==→→=
=∞
→→∞
→o ()
i V AV A V V +-==-电压
电
流
+10V
-10V
u i
u o
i
-+
a
R 3100k W
R 1 10k W
R 2 100k W
反相比例放大器
2
o i
1
R u u R =-i 1o 2
u i R u iR ==+0V V i i -+-
===+30
V i R +==0
V V -+==V -= 0
a 点常称“虚地”点
虚断虚短限流电阻：
防止支路中出现大干扰电流，影响电路正常工作
运放的分析方法——三步走
虚断：把电路分为2个电阻串并联的支路 虚短：V
=V-，既2个支路之间的关系
+
使用电阻串并联的方法求解（设电流i）
-
+
+10V
-10V
u o
u i
i
R 1 10k W
R 2 100k W
R 3 10k W
同相比例放大器
12
o i
1
R R u u R +=1
o 12()
V i R u i R R -==++0V V i i -+-
===i
V V u -+==虚断虚短i
V u +=u o
u i
G
原理图中常用的简化画法
o i
u G u =?
-+
+10V
-10V
u o
u i
R 2 100k W
R 3 10k W
电压跟随器
o i
u u =o V V -
=+0V V i i -+-
===i
V V u -+==虚断虚短i
V u +=输出跟随输入变化。作用：前后极之间的隔离、缓冲，提高带载能力等
u ib R 1
-+
u ia
u o
R 4
R 3R 2
i 1
i 2
差动放大器（减法器）
242
o ib 13411ia
R R R u u u R R R R ??=+- ?+?
?4
342
1
ia
ib o u V R R R u V u V R R +--=+-=-+0
V V i i -+-===虚断虚短()
2
o ib ia 1
R u u u R =-3142
R R R R ==
+10V
-10V i
-+
u i
u o
R 5.1k W
R 2 10k W
C 0.1m F
积分器
o 1
i u u dt RC
=-?i o 1u i R u idt
C
==-?+0V V i i -+-
===+20
V i R +==0
V V -+==虚断虚短真正的积分器！！而RC 不完全积分电路只是对于方波输入时，有类似于对输入u i 积分的效果，并非真正的积分！！
比较器
max max 0.30.7i r o o i r
o o u V u u E V u V u u E V
+-<=-≥=+ (,)
o A u E E -+→∞∈()()
o i
r i u AV A V V A V u +-==-=-u i
u o
+10V
- +
V r
过零比较器
常用于做信号整形
工作在饱和区及截止区
u i
+10V
-+
V r
u o
R 1100k W
R 2100k W
与参考电压V r 做比较，输出为比较的结果；故称比较器
单端输入与差动输入
单端输入方式
一端接输入信号，而另一端接地（或通过电阻接地） 同相输入 反相输入
差动输入方式（双端输入）
输入信号V 1和V 2同时加在同相端1和反相端2上
V i ＝V 1－V 2
u ib
R 1
-+
u ia
u o
R 4
R 3R 2
i 1
i 2
+10V
-10V
u i
u o
i
-+
a
R 3100k W
R 1 10k W
R 2 100k W
开环方式与反馈方式
开环方式
输出端与输入端之间除地线外没有连接。 如：比较器
反馈方式
有信号从输出端经过某种电路回到输入端，构成反馈回路
u i
u o
+10V
- +
V r
-
+
+10V
-10V
u o
u i
i
R 1 10k W
R 2 100k W
R 3 10k W
正确理解“工作方式”
运放内部并没有所谓的“工作方式”，它只会按照运放的工作特性曲线工作（即对所有的“工作方式”都一样）。
所谓的“工作方式”是依运放的外部连接而引入的说明
实验题目： 某一化工生产过程中需要对储气罐内的气体压力进行精度控制及安全保护，压力设定值为8Mpa，其中压力采集使用压阻式压力传感器，压力控制采用电动V型调节球阀调节。此外，当压力高于10Mpa时必须关断调节球阀。请结合本门课所学知识及选用的相关仪器设备，查阅相关文献，给出采用工业控制计算机作为控制器的设计方案。 压阻式压力传感器的主要技术参数： 1、工作电源10v 2、测量范围0~20Mpa 3、全程线性度好 4、灵敏度20mv/ Mpa 电动调节球阀的主要技术参数： 1、工作电源：AC220V; 2、控制信号：0~10V. (对应阀的开度：0％－100％). 一、系统总体结构框图： 二、系统工作原理：
该系统属于闭环PID控制系统，利用反馈通道和控制通道对储气罐中的气体压力进行动态快速、稳定和准确的控制。其具体工作原理是工控机首先设定储气罐中理想压强re ,然后根据反馈的数字信号和理想值进行比较得到差值 e 。然后利用PID 控制算法根据e 算出控制信号的算法控制信号的电压大小u ，通过数据通道D/A 转换把u 这一数据量转换成模拟量，这一模拟量直接控制电动V型调节球阀，进而控制储气罐的气压。然后是反馈通道，首先通过压阻式传感器，得到电压信号，再通过信号调理，调理后的信号经过数据通道A/D转换，转换成数字量，把数字信号送入工控机，工控机再根据这个信号输出符合要求的控制信号对电压V型调节阀进行控制，进而控制储气罐的气压。 三、传感器测量电路： 四、仪器设备和元器件： 一台工控机、一块数据采集板卡、一个电动V型调节球阀、一个扩散硅压阻式压力传感器、两个10KΩ电阻、两个500KΩ电阻、一个差动放大器、一台稳压电源及导线若干。 五、软件流程图：
工业测量系统 摘要:工业测量是现代工业技术的主要组成部分，是测绘学科的重要分支。目前主要介绍了除经纬仪外的五种工业测量系统包括全站仪极坐标测量系统、坐标测量机系统、数字近景摄影测量系统、激光跟踪测量系统、激光扫描测量系统的原理、特点及最新进展。 关键词：工业测量系统；全站仪极坐标测量系统；坐标测量机系统；数字近景摄影测量系统；激光跟踪测量系统；激光扫描测量系统 1.前言 随着现在科技的迅猛发展，特别是计算机技术、通信技术等的发展，在我们测绘领域出现了很多的技术创新。其中工业测量系统就是应用广阔、测量精度高、简单方便的一种测量新技术。 2.工业测量系统分类 二十世纪八十年代开始，工业测量系统在现代工业部门得到广泛的应用。根据所用的测 量仪器的不同，可分为三坐标测量机系统、电子经纬仪工业测量系统、全站仪极坐标测量系统、数字近景摄影测量系统、激光跟踪测量系统、激光扫描测量系统等。 2.1.三坐标测量机系统 三坐标测量机系统又包括了固定式的三坐标测量机（如图1）和便携式的关节式坐标测量机（如图2）。 三坐标测量机是指在一个三维空间内，能够对几何形状、长度等进行测量的仪器，它是传统通用三维坐标测量仪器的代表，通过测头沿导轨的直线运动来实现精确的坐标测量。目前，通过计算机自动控制的运用，计算机数字控制测量机已经出现并在生产实践中得到广泛的应用。具有自动瞄准定位的功能同时能按照预先编制好的程序自动完成全部测量和计算过程。其优点是测量精度高、效率高、操作便捷、应用广；其不足是属于接触式测量，对非刚体的测量误差大，同时是固定的，只适合室内作业，适用性弱。因此，一般测绘单位已经不配备这类仪器，只在工厂等生产单位使用。 便携式-关节臂式三坐标测量机取代传统的直尺/卷尺/测径器/千分尺/深度计/直径仪器/测隙规/厚薄规/柱形测孔规/显示测径器/标尺角度测量器甚至 小型台式三坐标测量机。是专为现场测量而设计，是当下通用的在线检测、数字化和质量验证的现代化检测工具。 图1坐标式测量机 图2臂式三坐标测量
工业过程测量和控制系统标准体系 The standard scheme for industrial process measurement and control system 梅恪1张桂玲2 (1.机械工业仪器仪表综合技术经济研究所，北京 100055) (Instrumentation technology & Economy institute P.R.China Beijing 100055) [摘要] 本文在分析了我国工业自动化仪表现状的基础上,提出了我国工业过程测量和控制系统标准体系框架和实施计划。 [关键词] 标准体系框架工业过程测量和控制系统 Abstract: Based on the present situation of industrial automation devices in our country, the article illustrates the standard scheme for industrial process measurement and control system and puts forward the plan of implementation. Key word: standard scheme industrial process measurement and control system 收稿日期：2010-01-11 作者简介：梅恪（1973-），男，北京市人，硕士，北京理工大学计算机科学与技术专业毕业，教授级高级工程师，全国工业过程测量和控制标准化技术委员会工业通信（现场总线）及系统分委会秘书长，长期从事工业自动化标准化工作。 引言 工业过程测量和控制系统广泛应用于石油、化工、电力、煤炭、冶金、纺织、轻工、食品、烟草等各个领域，是工业生产高产、稳定、优质、低耗、安全、环保的重要保障。“走新型工业化道路，以信息化带动工业化，以工业化促进信息化”是中央在全面总结我国工业化历史经验和深刻洞察世界经济与科技发展趋势的基础上，做出的一项重大战略决策。工业过程测量和控制系统是工业化与信息化融合的桥梁和手段。标准体系研究作为国家重要基础研究工作，是一项涉及经济、技术、管理等诸多因素的工作，其目的是为了指导开发、推荐技术、规范市场、保证质量、方便用户使用，为用户建立信心。 1、我国工业自动化仪表发展概况 我国工业自动化仪表产业在70年代形成了上海、西安、重庆、安徽、北京几个基地，并以系统带单表的发展战略带动了许多工程项目的实施。80年代，我国在DCS制造生产方面有了新的突破，开始打破了国外DCS全面占领中国市场的局面。90年代，现场总线技术和实时以太网技术蓬勃发展，国际上流行的现场总线通信协议有FF、PROFIBUS、WORLDFIP、P-NET等40多种，每一种
提高工业视觉测量系统精度的途径 一、引言 工件三维曲面或三维轮廓测量技术广泛应用于工业、科研、国防等领域。汽车车身、飞机机身、轮船船体、汽轮机叶片等加工制造中的在线检测，特别是大型工件的曲面检测一直是生产中的关键技术难题。该类工件在车间条件下一般采用靠模法测量，但可测截面少，测量精度低；在计量室条件下采用三坐标测量机测量虽然精度较高，但数据采集速度慢，测量成本高，且难于实现在线测量。鉴于接触式测量方法的局限性，激光三角法、莫尔投影法、工业视觉测量法等多种非接触测量方法日益受到重视，其应用也渐趋广泛。 工业视觉测量技术（或称数字近场摄影测量技术）是一种立体视觉测量技术[1]，其测量系统结构简单，便于移动，数据采集快速、便捷，操作方便，测量成本较低，且具有在线、实时三维测量的潜力，尤其适合于三维空间点位、尺寸或大型工件轮廓的检测。 二、测量原理 利用CCD摄像机可以获得三维物体的二维图像，即可以实现实际空间坐标系与摄像机平面坐标系之间的透视变换。通过由多个摄像机从不同方向拍摄的两帧（或两帧以上）的二维图像，即可综合测出物体的三维曲面轮廓或三维空间点位、尺寸。 为便于说明，设物空间坐标系为O-XYZ，CCD像面的像平面坐标系为o-xy。 现以双摄像机为例说明系统的透视变换关系。如图1所示，P为任一空间三维物点，设该点的物空间坐标为P（X，Y，Z），其在摄像机Ⅰ和摄像机ⅡCCD像面上的像点坐标分别为P1（x1，y1）和P2（x2，y2）。 图1 物空间坐标系和双摄像机的像平面坐标系 对于摄像机Ⅰ，像点坐标与物点坐标的变换关系为[2] （1） 其中w1为非零参数，a1，a2，…，a11为系统变换矩阵的元素，与摄像机Ⅰ的安放位置及成像系统Ⅰ的参数有关，可通过系统定标来确定。 对于摄像机Ⅱ，像点坐标与物点坐标的变换关系为 （2）
工业测量的技术手段和仪器设备，伴随着科学技术的发展与应用，其名目繁多。但归纳起来，最主要是以电子经纬仪或全站仪，摄影仪或显微摄影仪，激光扫描仪等传感器，在电子计算机和软件的支持下形成的三维测量系统，系统大概可分为三大类，以电子经纬仪或全站仪为传感器的工业大地测量系统；以摄影仪或显微摄影仪为传感器的工业摄影测量系统；以激光扫描仪为传感器的激光扫描测量系统。除此以外，还有基于莫尔条纹的工业测量系统，基于磁力场的三维量测系统，用于空间抛物体运动轨迹测定的全球定位系统等。 5．1工业大地测量系统 工业大地测量系统发展最早，应用较广 5．2工业摄影测量系统 工业摄影测量系统，是借助目标的影像，通过图像处理和摄影测量处理过程，以获取目标的几何状态和运动状态。其优点是通过像片提供大量信息，施测周期短，可在瞬间完成测量全过程，可对动态目标进行测量，可多重摄影，有多余观测值，精度可靠，相对精度可达百万分之一。特别适用于待测点密集的目标，适用于目标环境不甚稳定，乃至剧烈变化的目标，适用于工业生产流水线上产品的快速检测 5．3地面激光雷达系统， 前面3．2节中所说的地面激光雷达系统，最初是为工业测量设计的三维工业测量系统，如瑞士研制Cyrax激光扫描仪，具有扫描范围大，速度快，分辨率高、建模快，拼接好的特点，激光扫描“点阵”可再现所测物体的三维立体景观，可直接用于点对点的量测，利用拟合软件，点阵可以转换成三维模型，二维平面图，等高线图或断面图。它的问世，使三维工业测量系统加速向自动化、智能化、多用途方向发展。 三维工业测量系统是在制造业和机械安装检测行业中，利用各种测量仪器包括电子经纬仪、全站仪、激光跟踪仪、扫描仪、专业相机等组合，在计算机的控制下，对工件和产品进行精密三维坐标测量的复杂系统。根据测量数据的获取方式不同总体上可分为接触式和非接触式两类。